JP2010237045A

JP2010237045A - ガスセンサの気密検査方法

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Publication number: JP2010237045A
Application number: JP2009085514A
Authority: JP
Inventors: Kikuji Miyamura; 喜久治宮村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP5006899B2

Abstract

【課題】ガスセンサの完成品に対して、差圧式リークテストを用いて気密性を検査する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサ１１の気密性を検査する気密検査方法であって、差圧式リークテスタ２００を用いて、ガスセンサ１１の大気側雰囲気２４内にコネクタ２２およびリード線２１を介して空気を供給し、圧力変化をモニタすることによりガスセンサ１１の圧力変動を検出し、ガスセンサ１００の圧力変動と、あらかじめコネクタ２２およびリード線２１への空気の供給に起因して生じると推定する推定圧力変動とを比較した結果に応じて、ガスセンサ１００の大気側雰囲気２４内からのエアリークの有無を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被測定ガス成分中の所定ガス成分を測定するガスセンサの気密検査方法に関する。

従来より、被測定ガス中の所望ガス成分の濃度を知るために、各種の測定装置が用いられている。例えば、燃焼ガス灯の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質層上にＰｔ電極およびＲｈ電極を形成することにより構成した電気化学的ポンプセルを有するガスセンサが公知である（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２７１４７６号公報

このようなガスセンサにおいては、内部に導入されたガスが不要に外部へと漏れることのないように、気密性が確保されている必要がある。そこで、製品出荷前の段階で、係る気密性に対する検査（リークテスト）が行われることが望ましい。係るリークテストは、簡便かつ低コストな手法であることが望ましく、さらには自動化可能な手法であることがより好ましい。

例えば、センサ素子を収容部材に収容させてなるガスセンサの本体部（一次組立品）に対しては、差圧式リークテストを行うことで、センサ素子を封止するタルクの気密性が検査される。差圧式リークテストとは、対象物に空気圧を加えた後の圧力の変化を検出することでエアリークの有無を判定する検査手法であり、一般には、金属等の硬く変形しがたい部材に覆われたものの中における気密性を比較的低コストにて検査する手法として、従来より知られている。

一方、上述した本体部に対してさらにグロメットカシメ部やケーブルなどが組み付けられたガスセンサの完成品に対しては、これまで、簡便かつ低コストにリークテストを行える手法が存在しなかった。例えば、差圧式リークテストについては、グロメットカシメ部やケーブルなどの変形しやすい部材が存在しているガスセンサの完成品に対してこれを単純に適用したとしても、圧力変化がリークによるものか部材自体の変形によるものかを特定できないことから、ガスセンサの完成品への適用は困難とされていた。

そこで、本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、ガスセンサの完成品の気密性を検査する方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサの気密性を検査する気密検査方法であって、差圧式リークテスタを用いて、前記ガスセンサの大気側雰囲気内に前記ガスセンサのコネクタおよびリード線を介して空気を供給し、圧力変化をモニタすることで前記ガスセンサの圧力変動を検出し、前記ガスセンサの圧力変動と、あらかじめ前記コネクタおよびリード線への空気の供給に起因して生じると推定する推定圧力変動とを比較した結果に応じて、前記ガスセンサの大気側雰囲気内からのエアリークの有無を検出する。

請求項２の発明は、請求項１に記載のガスセンサの気密検査方法であって、前記推定圧力変動は、前記コネクタおよび先端を封止した前記リード線からなる検査用基準物に対し、前記差圧式リークテスタを用いて検出した圧力変動である。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のガスセンサの気密検査方法であって、前記差圧式リークテスタは、前記リード線に空気が充満するまで空気を供給し、供給した後前記リード線内の平衡が保たれた後に、エアリークの有無を検出する。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスセンサの気密検査方法であって、前記コネクタと前記差圧式リークテスタとを気密に接続する。

請求項５の発明は、請求項４に記載のガスセンサの気密検査方法であって、シール材を有する固定治具に、前記シール材と気密封止するように前記コネクタを設置し、前記差圧式リークテスタは、前記固定治具を介して前記コネクタへ空気を供給する。

請求項１ないし請求項５の発明によれば、ガスセンサの完成品に対し、差圧式リークテストを用いて気密性の検査を行うことができる。

請求項４または請求項５の発明によれば、気密検査装置とコネクタとの接続を気密に保つことができ、ガスセンサの気密検査をより正確に行うことができる。

ガスセンサの構成の一例を概略的に示した模式図である。本実施の形態における気密検査装置の構成を概略的に示した図である。コネクタと測定用気密部とを固定治具によって接続する様子を示した図である。シール部およびコネクタが固定治具にセットされた様子を示す図である。検査用基準物およびガスセンサの構造を示した図である。検査用基準物内に空気を供給しているときの圧力変動を測定した図である。空気の供給を停止した後の圧力変動を測定した図である。リード線内に空気を充満し、リード線の動きが安定した状態の後の圧力変動を測定した図である。気密検査を行った測定結果を示した図である。気密検査を行った測定結果を示した図である。本体部の気密検査の測定結果を示した図である。

（ガスセンサおよび気密検査装置の構成）
本発明の実施の形態に係る気密検査装置２００、および検査が実施されるガスセンサ１００の構成について説明する。

図１は、ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した模式図である。本実施の形態で検査されるガスセンサ１００とは、測定対象とするガス（被測定ガス）中の所定のガス成分を検出し、さらにはその濃度を測定するためのものである。

ガスセンサ１００は、センサ素子１１を保持する本体部１０と、センサ素子１１と外部との電気的導通を図るコンタクト部材２０と、コンタクト部材２０の周囲を覆うような態様で本体部１０に溶接等で固定される外筒３０とを主として備える。

本体部１０は、導入された被測定ガスのうちの所定ガス成分を測定するセンサ素子１１と、センサ素子１１を収容する収容部材１２と、センサ素子１１を収容部材１２内に気密に封止するタルク１３と、被測定ガスを導入するガス導入孔１４とを備える。ガス導入孔１４から被測定ガスを導入することで、収容部材１２内が被測定ガス側雰囲気１５となる。

コンタクト部材２０は、センサ素子１１の複数の電極と電気的に接続されるコンタクト部２５と、コンタクト部２５を介してセンサ素子１１の複数の電極と電気的に接続されるリード線２１と、リード線２１に接続されることでセンサ素子１１と外部との電気的導通を図るコネクタ２２と、内部にリード線２１を気密に挿通する態様で形成されたグロメット２３とを備える。また、コネクタ２２およびリード線２１を介してコンタクト部材２０内に大気を導入することで、コンタクト部材２０内が大気側雰囲気２４となる。

すなわち、収容部材１２およびタルク１３による気密封止によって、被測定ガス側雰囲気１５と大気側雰囲気２４との気密的分離が確保されている。

このようなガスセンサ１００においては、例えば、図１における矢印で示すように、センサ素子１１を収容部材１２に気密封止するタルク１３、本体部１０と外筒３０とを固定している溶接部、グロメット２３をコンタクト部材２０に固定するために加締めているグロメットカシメ部、グロメット２３内に気密に挿通されているリード線２１部等において、エアリークが生じる可能性がある。後述するように、本実施の形態におけるエアリークテスト（気密検査）は、このような箇所におけるエアリークの有無を判定すべく行うものである。

次に、このようなガスセンサ１００からのエアリーク（気密性）を検査する気密検査装置２００の構成について説明する。

図２は、気密検査装置２００の構成を概念的に示した図である。気密検査装置２００は、差圧式リークテスタであり、対象物に空気圧を加え、密閉した後の圧力の変化でエアリークの有無を計測および判定する装置である。

差圧式リークテスタは、測定対象物に対し圧力が加えられる測定用気密部２０１と、基準の圧力が加えられる基準用気密部２０２と、測定用気密部２０１および基準用気密部２０２に加圧のためのエアを供給するエア源２０３と、エア源２０３と測定用気密部２０１および基準用気密部２０２との間に配置され、空気の移動を調整する第１の電磁弁２０４および第２の電磁弁２０５と、測定用気密部２０１と基準用気密部２０２との圧力の差を計測する差圧センサ２０６とを備える。

気密検査装置２００により検査を行う場合は、まず、測定用気密部２０１に検査対象物を接続し、次に、第１の電磁弁２０４および第２の電磁弁２０５を開放する。そして、エア源２０３から測定用気密部２０１および基準用気密部２０２へ空気を供給する。

測定用気密部２０１と基準用気密部２０２とを同じ圧力に保ち、差圧センサ２０６をゼロにセットした状態で、第１の電磁弁２０４および第２の電磁弁２０５を閉じる。

このとき、検査対象物においてリークが生じていれば、測定用気密部２０１の側が減圧され、基準用気密部２０２との間に圧力差が生じて、差圧センサ２０６が変化することになる。

（ガスセンサのリーク検査）
本実施の形態では、気密検査装置２００を用いてガスセンサ１００を検査するが、グロメット２３やリード線２１などの変形が検査結果に影響することが考えられるために、単純に上述のような手順にて測定を行ったとしても、正しい検査結果が得られるとは限らない。

そこで、本実施の形態においては、あらかじめリークがないことを別の手法にて確認した検査用基準物に対する差圧式リークテストの結果（推定圧力変動）との対比で、検査対象たるガスセンサ１００におけるリークの有無を判定するようにする。また、係る差圧式リークテストはコネクタ２２を測定用気密部２０１に接続することにより行うが、係る接続箇所にてリークが生じると、検査が意味をなさなくなる。そこで、係る接続箇所における気密の確保を図った上で、差圧式リークテストを行うようにする。以下、これらについて説明する。

まず、コネクタ２２と測定用気密部２０１の接続について説明する。図３は、コネクタ２２と測定用気密部２０１とを固定治具３００によって接続する様子を示す図である。

図３に示すように、固定治具３００は、コネクタ２２と密着して接続されるシール部３０１と、気密検査装置２００の測定用気密部２０１と固定治具３００とを気密に接続する検出用配管３０２と、シール部３０１が設置される受け台３０３と、コネクタ２２を上から加圧する固定部３０４とを備えている。

図４（ａ）は、シール部３０１が固定治具３００の受け台３０３にセットされた様子を示す図である。固定治具３００の受け台３０３とシール部３０１との隙間からエアリークが生じないように、シール部３０１は受け台３０３に密着固定されている。このようなシール部３０１は、シリコンよりなるシール部材で構成されている。また、受け台３０３は、検出用配管３０２を介して気密検査装置２００から供給された空気を導入するエア導入孔３０５を有する。

図４（ｂ）は、コネクタ２２がシール部３０１に密着して接続された様子を示す図である。シール部３０１とコネクタ２２との隙間からエアリークが生じないように、コネクタ２２はシール部３０１に密着固定されている。また、図３に示すように、コネクタ２２の上からシール部３０１のほうへ固定部３０４によって加圧することで、コネクタ２２とシール部３０１とをより気密に固定すると共に、シール部３０１と受け台３０３とをより気密に固定する。

このような固定治具３００を用いることで、気密検査装置２００とコネクタ２２との接続を気密状態に保ちつつ、リード線２１を介して大気側雰囲気２４内に空気を供給することができるため、後述するガスセンサ１００の気密性の検査をより正確に行うことができる。

次に、検査用基準物２５について説明する。図５（ａ）は、検査用基準物２５の構造を例示する図である。図５（ｂ）は、通常のガスセンサ１００の構造を例示する図である。検査用基準物２５は、ガスセンサ１００に用いられるものと同じコネクタ２２とリード線２１とからなるが、リード線２１の先端を封止することにより、該先端部から空気が漏れないようになっている。

図６ないし図８は、この検査用基準物２５を上述の固定治具３００を使用して気密検査装置２００に接続し、コネクタ２２を通じてリード線２１に空気を供給したときの圧力変動を測定した結果を示す図である。

図６は、検査用基準物２５内に空気を供給しているときの圧力変動を測定した図である。図６に示すように、ＣＨＧ時間が２５ｓｅｃ以上で圧力がほぼ一定になり、リード線２１とコネクタ２２内に空気が充満した状態になっていることがわかる。

図７は、空気の供給を停止した後の圧力変動を測定した図である。図７に示すように、ＢＡＬ時間が１５ｓｅｃ以上で圧力がほぼ一定になり、リード線２１とコネクタ２２内の膨張等の動きが安定した状態になっていることがわかる。

図８は、リード線２１とコネクタ２２内に空気を充満し、リード線の動きが安定した状態の後の圧力変動を測定した図である。図８に示すように、ほぼ一次曲線となっており、圧力変動は測定時間の影響を受けていないことがわかる。

このような検査用基準物２５における圧力変動の変化の特性から、ＣＨＧ時間およびＢＡＬ時間を調整することで、コネクタ２２およびリード線２１のゴムの膨張および縮小などの外部影響をキャンセルした状態で、ガスセンサ１００のエアリークの有無を判定可能なことがわかる。

具体的には、検査用基準物２５およびガスセンサ１００に対して、同様のＣＨＧ時間、ＢＡＬ時間、ＤＥＴ時間の条件で気密検査を行い、検査用基準物２５の圧力変動（推定圧力変動）よりもガスセンサ１００の圧力変動の方が大きくなれば、ガスセンサ１００の大気側雰囲気２４内からエアリークが生じていることとなる。

（ガスセンサの気密検査の例）
次に、上述した方法によりガスセンサの気密検査を行った結果の一例について説明する。

ガスセンサ１００としては、水没検査でエアリークが判定されなかったものを用いた。水没検査とは、ガスセンサに空気圧を加えて、水中に没し、漏れにより気泡が発生するか否かで気密か否かを判定する検査である。なお、リード線２１の長さは４３０ｍｍとした。

図９および図１０は、検査用基準物２５とガスセンサ１００について、気密検査装置２００により、それぞれ２０回繰り返し気密検査を行った測定結果を示した図である。本実施の形態では、１００ＫＰａの加圧、２５ｓｅｃのＣＨＧ時間、１５ｓｅｃのＢＡＬ時間、１２．５ｓｅｃのＤＥＴ時間に設定し、気密検査を行った。

図に示すように、検査用基準物２５の圧力変動の平均は２．３（×１０ｐａ）であった。一方、サンプル２〜４（ガスセンサ１００）の圧力変動の平均は、それぞれ、２．７１（×１０ｐａ）、３．２（×１０ｐａ）、２．７４（×１０ｐａ）であった。すなわち、検査用基準物２５よりも、サンプル２〜４（ガスセンサ１００）の方が圧力変動が大きくなっていることがわかる。この増加した圧力変動は、上述したように、大気側雰囲気２４内からエアリークが生じたためである。

すなわち、水没試験で空気漏れが発見されなかったガスセンサ１００に対しても、外筒内部の影響により大気側雰囲気２４内からエアリークが生じていることを発見することができる。なお、水没試験では、差圧式リークテスタを用いて０．１１（ｃｃ／ｍｉｎ）のエアリーク量が検出されたガスセンサに対して、エアリークが確認された。エアリーク量は下記数式により算出することができる。４３０ｍｍリード線２１の容積は約３６ｃｃである。

このようなガスセンサ１００に対し、エアリークの有無の判定は、例えば、繰り返し検査を行ったガスセンサ１００の測定値の平均値あるいは最大値から、基準となる検査用基準物２５の測定値の平均値を引いた圧力変動（エアリーク量）の増加量が、所定の値よりも大きいか否かを判定することで行えばよい。

図１１は、従来より行っていた本体部の気密検査の測定結果を示した図である。すなわち、この測定結果はタルクからのエアリークにより生じる圧力変動である。したがって、図９および図１０で算出した増加した圧力変動から、図１１で示すタルクのエアリークにより生じる圧力変動を減算した値は、本体部１０と外筒３０とを固定している溶接部、グロメット２３をコンタクト部材２０に固定するために加締めているグロメット加締め部、あるいはグロメット２３内に気密に挿通されているケーブル部等の、大気側雰囲気２４内のその他の部からのエアリークにより生じる圧力変動であることが考えられる。従って、タルク以外の箇所からエアリークが生じているか否かを判定することもできる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ガスセンサ１００の完成品に対して、差圧式リークテストを用いて気密性の検査を行うことができる。

１０本体部
１１センサ素子
１２収容部材
１３タルク
１４ガス導入孔
１５被測定ガス側雰囲気
２０コンタクト部材
２１リード線
２２コネクタ
２３グロメット
２４大気側雰囲気
２５コンタクト部
１００ガスセンサ
２００気密検査装置
２０１測定用気密部
２０２基準用気密部
２０３エア源
３００固定治具
３０１シール部
３０２検出量配管
３０３受け台
３０４固定部
３０５エア導入孔

Claims

被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサの気密性を検査する気密検査方法であって、
差圧式リークテスタを用いて、前記ガスセンサの大気側雰囲気内に前記ガスセンサのコネクタおよびリード線を介して空気を供給し、圧力変化をモニタすることで前記ガスセンサの圧力変動を検出し、
前記ガスセンサの圧力変動と、あらかじめ前記コネクタおよびリード線への空気の供給に起因して生じると推定する推定圧力変動とを比較した結果に応じて、前記ガスセンサの大気側雰囲気内からのエアリークの有無を検出する、ガスセンサの気密検査方法。
前記推定圧力変動は、前記コネクタおよび先端を封止した前記リード線からなる検査用基準物に対し、前記差圧式リークテスタを用いて検出した圧力変動である、請求項１に記載のガスセンサの気密検査方法。
前記差圧式リークテスタは、前記リード線に空気が充満するまで空気を供給し、供給した後前記リード線内の平衡が保たれた後に、エアリークの有無を検出する、請求項１または請求項２に記載のガスセンサの気密検査方法。
前記コネクタと前記差圧式リークテスタとを気密に接続する、請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスセンサの気密検査方法。
シール材を有する固定治具に、前記シール材と気密封止するように前記コネクタを設置し、
前記差圧式リークテスタは、前記固定治具を介して前記コネクタへ空気を供給する、請求項４に記載のガスセンサの気密検査方法。